主流智能断路器功能分析及检测方法研究

上海电器科学研究所（集团）有限公司 陈泽宇 徐献清 李新强

1 引言

随着我国“双碳”目标的加快推进与配套政策的密集出台以及输配电行业围绕信息化、数字化和智能化模式的转型需求，需要通过一种媒介对大量的、碎片化的配用电系统数据进行有效监测、管理，让数字、信息技术与电力输配电行业充分结合，在这样的背景下，智能断路器应运而生[1]。

2 智能断路器现状及发展

智能断路器作为电力系统建设中重要的保护、控制元件，不仅使用在家庭，也应用于建筑、风电、光伏、储能等各工业领域。国内对智能断路器的需求是物联网与垂直行业融合下新的蓝海市场[2]。我国每年新增安装空开20亿只，相当于0.3万亿元增量规模，并且目前空开存量600亿只，如果将老旧的元器件逐步替代升级为智能断路器，意味着近十万亿元存量市场，这些存量及未来增量的断路器，随着智能化技术的发展，未来将逐步完成智能化升级改造。巨大的市场规模和增长潜力，意味着需要成熟的质量检验检测技术能力，以提高产品的市场监管力度[3]。

3 主流智能断路器功能分析

智能断路器是在传统低压断路器基础上发展而成，其在原有低压断路器接通、承载以及分断电流功能的基础上增加了通信功能、测量采集功能、远程控制功能等，部分智能断路器也能够通过通迅,在上位机上进行保护特性参数的设置和修改。智能断路器一般具备一个或者多个功能。

3.1 测量功能

一是电参数测量。电压、电流、功率、电量、频率等参数的测量；二是状态量的测量。开、合闸闸位状态；三是其他物理量。温度（周围环境、各接线端子、触头等、湿度、气压等。

3.2 通信功能

使用Modbus、DeviceNet、Profibus 等通讯协议通过各种传播方式（如RS232C、RS485等通讯接口，WiFi、蓝牙传输等）与上位机、电能表等设备互联并通讯数据。

3.3 监测功能

通过通讯功能将测量采集到的数据在显示屏、上位机中显示。

3.4 远程控制

通过通讯功能实现远程控制断路器分合闸。

3.5 异常报警

异常状态下断路器的报警及信息显示，如异常脱扣、过载、温度/温升异常等。

3.6 异常判断

判断断路器异常原因或故障原因，并显示对应信息。

3.7 记录功能

位置信息录入记录，接通分断次数记录、断路器保护事件、异常报警事件、变位事件、自检事件、保护功能投退事件、失复电事件记录。

3.8 时钟功能

能够度量和显示时间，为采集信号数据提供时间信息，定时开关，给定时断电、上电功能提供时间信息。

3.9 参数设置

保护特性参数的设置和修改。

3.10 拓扑信号识别功能

一般为在电力线信道中的微电流信号的识别和发送，可识别特定频率的特征电流信号，对识别到的信号能够根据信号特性判断其有效性，按照一定的频率和调制方式发送特征信号，以此实现线路的拓扑识别。

3.11 故障预测

具备故障诊断功能，即使发现故障隐患及故障趋势，实现预知性研究，如分析断路器动作过程中的触头动作信号预测断路器的机械故障，或分析采集到的如触头的电压，电流信号，灭弧室屏蔽罩电位信号等建立故障诊断模型，对断路器进行故障诊断。

3.12 寿命预测

目前有多种预测寿命研究方法，如通过加速老化试验分析性能退化规律，基于剩余寿命预测模型进行参数预估；实时状态监测影响寿命的多种特征量，预测断路器寿命。此类功能市场上主流的断路器均已配置，技术相对成熟，其余功能企业亦在研发中，并无在市场上发布技术成熟的产品。

4 主要标准分析

智能断路器目前大多数产品依据的国家产品标准，如某品牌的智能塑壳断路器，执行标准为GB/T 14048.2,虽然具备通讯功能，但未对其进行标准认证。部分带通讯功能、远程控制功能的断路器执行的标准为GB/T 21706-2008，虽规定了组合电器在主要验证组合产品的电气性能、绝缘性能的试验要求以及试验结果的判定，但也没有对智能化功能进行验证。NB/T 42149-2018标准规定了具有远程控制功能的小型断路器的范围、特性、标志、正常的使用和安装条件、结构和性能要求以及试验程序要求[4]。

Q/GDW 12174—2021标准规定了智能量测开关的分类及特性，在智能化检测方面规定了包括电压、电流、频率和功率因数的测量范围和量测准确度等级等要求。目前部分具备量测功能的智能断路器产品，会依据该标准进行检测认证，但是各集成商、用户会根据实际的应用场景，提出相应的要求，此时应按照实际功能情况与制造商声称的功能进行验证[5]。

5 检测方法研究

一是测试设备，包括测试电源、测试仪表、服务器、显示屏幕、无线功能测试设备、串口服务器、交换机等。二是测试电源，输出频率、相位可调的高精度电压源和电流源。三是测试仪表，用于测量被测产品的测量准确度。四是服务器，用于运行测试程序，提供控制平台并存储测试数据。五是无线功能测试设备，用于验证具备蓝牙、WiFi 等无线通讯功能的产品功能。六是串口服务器，能够将串口转换成TCP/IP 、MODBUS 等协议，实现数据的双向传输。七是交换机，测试试验中各数据的交互。

5.1 测量功能验证

依据制造商声称的测量参数类型、测量范围以及测量准确度进行试验验证，可按一般工业用仪表的准确度（如1、1.5、2.5、4.0等）对智能断路器的准确度进行等级划分。取电流测量功能断路器为例，按使用设备分为标准电源法和标准仪表法，被测产品的准确度等级与引用误差之间的关系详见表1。

表1 准确度与引用误差的关系

5.1.1 标准电源法

一是选取智能断路器电流量程范围中5个测量点（交流断路器选取额定频率作为测试试验频率点）；二是设置标准源输出标准电流，被测产品显示电流，则被测产品的示值误差为：

被测产品的引用误差为：

式中，R为被检智能断路器测量范围上限。当产品的示值范围包含负值时，为仪表测量范围的上限和下限之差。

5.1.2 标准仪表法

一是选取智能断路器电流量程范围中5个测量点（交流断路器选取额定频率作为测试试验频率点）；二是当电源的准确度不能满足要求，将电源作为一般稳流源使用，配上标准仪表，调节电源输出电流，标准仪表的显示值为，被测产品的示值误差和引用误差可以按式（1）和式（2）得出。具备其他类型测量参数功能的智能断路器，方法与测量电流方法类似，如电压，谐波电流等。具备如温度、湿度等测量功能的智能断路器，可以使用标准环境箱与标准仪表进行检测，得出准确度等级。

5.2 通信功能验证

通过测试主站给断路器发送接收信号，验证断路器是否正确应答，测试主站通常为具备硬件层面通讯协议，如串口RS232/RS485/RS422，并具备Modbus、DeviceNet、Profibus 等通讯协议的调试工具，通过调试工具发送接收断路器的信号报文，并具备连接网络的电力载波接口、无线网卡、蓝牙模块、网口连接使用TCP/IP 协议的上位机系统。测试如图1所示。

图1 测试

检测方法包括：一是通信协议一致性。具备RS232/RS485/RS422串口通讯功能的产品应在设置多种波特率的情况下，验证测试主站与被测产品是否正确地进行数据交互，验证串口的有效性、连通性以及通信速率；具备电力载波、蓝牙、WiFi 等通讯功能的产品，验证测试主站与产品是否正确的数据交互。二是通信地址检查。测试主站发送查询通讯地址报文，产品应正确回复地址，并能通过回复的地址与产品正常通信。

5.3 监测功能验证

测试主站连续读取产品当前测量值，和测量功能一同验证，对比实际数据与断路器测量数据的一致性，验证显示功能是否正常，以及验证制造商声称的显示精度。

5.4 远程控制功能验证

在控制端分别施加通信合闸信号和通信分闸信号。当施加通信信号时，断路器应正确合/分闸。重复试验50次（或与制造商协商确定次数），验证控制功能以及操动机构的正确性，有效性及可靠性。

5.5 异常报警、判断功能验证

通过试验电源、环境箱等设备模拟异常状态，验证是否符合说明书明确的异常信号信息，通过显示屏、通信功能或声光信号显示或发送异常信号，可以是文字信息或报文特征信号。

5.6 记录、存储功能验证

使用试验设备输出模拟状态量或模拟参数，验证计数功能的准确性。事件记录应至少包含事件发生时间和发生原因。模拟触发事件发生条件进行验证，事件发生后，累计记录事件+1，测试主站读取事件记录时，产品应返回正确事件记录次数。

5.7 时钟功能验证

在断路器的基频率测试点进行3次测量，验证时钟准确度。通过测试主站发送指定时间的同步报文，读取产品的当前时间，应与指定的时间一致；读取产品的当前时间，间隔5min 再次读取，时钟偏差应小于3ms。如时钟的分辨率不高，可延长读取的间隔时间，须满足时钟准确度不超过0.5s/d 或满足产品声称时钟准确度。

5.8 拓扑识别功能验证

试验设备按要求的试验值，将不低于产品采样频率的特征电流发送向测试产品，测试产品的信号识别功能；试验设备接受产品发送的特征信号，识别特征码码元，每位编码发送时间长度，单次发送总体时间偏差，发送的特征电流大小是否符合说明书的描述。

6 结语

目前我国输配电行业的数字化转型和新型智能电力系统的建设需求下，智能断路器的发展被普遍看好。对智能断路器产品研究分析后，该产品主要采用了测量采集技术、通信技术、并集成了断路器原有的保护控制功能，研究发现智能断路器主要涉及功能并不复杂，检测机构可在断路器原有检测能力基础上，建设智能断路器典型功能验证检测能力，满足市场上智能断路器的检测需求。